Polka-Dot-Muster stellt Superfluid-Hypothese auf den Kopf

Exotische Verhaltensweisen treten in Atomen auf, wenn sie auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, eine Temperatur, die so kalt ist, dass die Atome ihre nervöse Bewegung einstellen. Indem sie das Isotop Helium-3 an den Rand dieser Schwelle brachten und es auf einen winzigen Raum beschränkten, entdeckten Cornell-Forscher, dass in der Supraflüssigkeit spontan ein überraschendes Tupfenmuster auftrat.

„Wir haben klare Beweise dafür gefunden, dass ein Muster im Wesentlichen aus heiterem Himmel auftaucht. Systeme sollten das nicht tun“, sagte Jeevak Parpia, MS '77, Ph.D. '79, Professor für Physik, spezialisiert auf Tieftemperaturphysik.

Die Arbeit wurde in dem Artikel „Evidence for a Spatially Modulated Superfluid Phase of 3He Under Confinement“ beschrieben, der im Februar in Physical Review Letters veröffentlicht wurde. Parpia arbeitete mit Forschern am Royal Holloway der University of London (unter der Leitung des Physikprofessors John Saunders und des Forschers Lev Levitin) zusammen, wo die Experimente in speziellen, in Cornell gebauten Einschlusskammern durchgeführt wurden.

Superflüssigkeiten sind exotische Quantensysteme, die sich einheitlich verhalten, ohne Widerstand oder Viskosität. Wenn flüssiges Helium-3 (ein Isotop aus zwei Protonen und einem einzelnen Neutron) auf einige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, gibt es seine zufällige Bewegung zugunsten einer koordinierten Bewegung auf. Das Material kann als einzelne Wellenfunktion mit spezifischen Eigenschaften beschrieben werden.

Der supraflüssige Zustand von flüssigem Helium ist seit seiner Entdeckung in den frühen 1970er Jahren in Cornell ein heißes Forschungsthema. Die Arbeit brachte den Cornell-Physikern David M. Lee, Robert C. Richardson und Douglas Osheroff einen MS '71, Ph.D. ein. '73, der Nobelpreis von 1996 und löste jahrzehntelange Forschung zum besseren Verständnis der Quantenphysik aus.

Es ist bekannt, dass supraflüssiges Helium-3 in zwei Phasen (A-Phase, B-Phase) existiert. In den frühen 2000er Jahren schlugen die theoretischen Physiker James Sauls und Anton Vorontsov an der Northwestern University vor, dass sich die B-Phase in einem Streifenmuster aus Plus- und Minus-Ausrichtungen im gleichen Verhältnis anordnen würde, wenn sie auf einen nahezu zweidimensionalen Raum beschränkt wäre.

Die Überprüfung der Hypothese scheiterte an der Schwierigkeit, eine Einschlussvorrichtung zu konstruieren, die kaum einen Mikrometer – also einen Millionstel Meter – hoch war. Die Cornell-Forscher entwarfen und bauten in der Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) spezielle Magnetresonanzkammern mit Abmessungen von 1 Zentimeter Länge und Breite und 1,1 Mikrometern Höhe, wodurch ein nahezu flacher Hohlraum für die Durchführung ihrer Experimente entstand.

Durch die Eingrenzung des Suprafluids stellten die Physiker fest, dass der supraflüssige Zustand in positive und negative Domänen zerfiel, wobei die positive Domäne in der vierfachen Konzentration der negativen auftrat. Die Ergebnisse schlossen das Streifenmuster aus und deuteten stattdessen auf eine entweder regelmäßige oder ungeordnete Anordnung von Inseldomänen – mit anderen Worten: Tupfen – hin.

Das Auftreten eines spontanen Musters ist ein Beweis für eine gebrochene Symmetrie, ein ungewöhnliches Ereignis. „Normalerweise verursachen solche Muster erhebliche Energiekosten, aber der Polka Dot scheint seine Energiekosten ausreichend zu senken, um dies auszugleichen“, sagte Parpia. Er sagte, die Ergebnisse könnten eines Tages dazu beitragen, Prinzipien für Quantencomputer zu ermitteln.

„Es ist bemerkenswert, eine Kammer mit gleichmäßiger Höhe über eine so große Entfernung zu schaffen. Es ist schwierig, Pläne zu entwickeln, die dieses Profil beibehalten“, sagte Parpia.

Die Kammer wurde von Robert Bennett während seiner Zeit als Postdoktorand entworfen und von Nikolay Zhelev, MS '13, Ph.D., erstellt. '16.

„Supraflüssigkeiten sind bemerkenswerte Materialien, und wir sind immer wieder überrascht über ihren Reichtum und ihr unerwartetes Verhalten, wenn wir sie in immer kleineren Systemen einschließen“, sagte Parpia. „Entdeckungen dieser exotischen Materieformen in einem System, das wir mit großer Präzision steuern können, liefern uns Erkenntnisse, die auf praktischere elektronische Systeme angewendet werden können.“

CNF wird von Cornell, der National Science Foundation (NSF), der Abteilung für Wissenschaft, Technologie und Innovation von Empire State Development, Industriepartnern und anderen Nutzern unterstützt. Die Forschung wurde durch Zuschüsse des Engineering and Physical Sciences Research Council im Vereinigten Königreich, der NSF (in den USA) und der European Microkelvin Platform (im Vereinigten Königreich) unterstützt.

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